KR101072681B1

KR101072681B1 - 적층형 이차 전지

Info

Publication number: KR101072681B1
Application number: KR1020090069623A
Authority: KR
Inventors: 신스케 에노모토; 도모카즈 구메우치
Original assignee: 엔이씨 에너지 디바이스 가부시키가이샤
Priority date: 2008-07-30
Filing date: 2009-07-29
Publication date: 2011-10-11
Anticipated expiration: 2029-07-29
Also published as: JP2010033922A; CN101640282B; KR20100013279A; US20100028769A1; TW201014009A; CN101640282A; TWI389368B; US8450007B2

Abstract

평판 형상의 양극과 평판 형상의 음극의 어느 한쪽을 다른쪽보다 1개 많이 세퍼레이터를 개재하여 교대로 적층하고, 양극의 양극 인출 단자들 및 각 음극의 음극 인출 단자들을 각각 접속한 전지 요소로 이루어지는 적층체의 적층 방향의 양단면에 직접 접촉해 배치한 금속제 판상체의 상호를 결합 부재로 결합하여 상기 적층체를 양단면으로부터 사이에 끼워 눌러 유지하고, 상기 금속제 판상체 사이에 끼워 눌러 유지한 전지 요소를 필름형상 외장재에 의해 봉구한 적층형 이차 전지이다.

Description

적층형 이차 전지{LAMINATE SECONDARY BATTERY}

본 발명은, 평판 형상의 양극 및 음극을 세퍼레이터를 개재하여 적층한 전지 요소를 봉구한 적층형 이차 전지에 관한 것이다.

휴대전화를 비롯한 휴대형의 전지 사용 기기에는 충방전 용량이 큰 리튬 이온 전지 등이 널리 이용되고 있다. 또, 전기 자동차, 전동 자전거, 전동 공구, 전력 저장 등의 용도에 있어서도, 충방전 용량이 크고, 효율이 뛰어난 이차 전지가 요구되고 있다.

이러한 고출력의 전지에 있어서는, 평판 형상의 양극과 음극을 세퍼레이터를 개재하여 적층한 적층형 전지가 이용되고 있다. 리튬 이온 전지에 있어서는, 양극으로서는, 집전체로서의 작용을 하는 알루미늄박 상에 리튬 천이 금속 복합 산화물 입자를 카본 블랙 등의 도전성 부여재와 함께 도포한 것이 이용되고 있다.

또, 음극에는, 집전체로서 작용하는 구리박 상에 흑연 등의 탄소 입자와 카본 블랙 등의 도전성 부여재의 슬러리를 도포한 것이 이용되고 있다.

리튬 이온 전지와 같은 적층형 이차 전지는, 평판 형상의 양극과 평판 형상의 음극을 세퍼레이터를 개재해 복수개를 적층한 전지 요소를, 필름형상의 외장재 에 의해 피복하고, 전해액 주액구를 제외하고 봉구한 후에 전해액을 주액하여, 내부의 기체를 흡인하고, 전지 내부를 감압 상태로 봉구하고 있다.

리튬 이온 전지는 충방전에 의한 활물질에의 리튬 이온의 삽입 방출의 반복에 의해 전극의 팽창, 수축을 반복하여 전극이 변형해 전지의 효율이 저하하는 일이 있었다.

따라서, 충방전에 의해 발생하는 양극, 음극의 변형을 방지하기 위해서, 양극과 음극을 세퍼레이퍼를 개재하여 적층한 것을 귄회한 전지 요소를 중앙부에 금속판을 가지며, 주위에 절연성의 수지를 배치한 판상체로 압박한 전지가 제안되어 있다.

[특허 문헌 : JP－A－2004－355915]

그런데, 상기의 권회체를 평평하게 변형한 것은, 각각이 띠형상의 부재를 세퍼레이터/양극 또는 음극/세퍼레이터/음극 또는 양극의 순서로 적층한 후에 권회를 한 것으로서, 최외주부는 세퍼레이터로 덮인 것이며, 전지 요소를 끼워둔 판상체는 세퍼레이터를 개재하여 접촉하는 것으로서 열적 접합은 불충분한 것이었다. 또, 전지요소의 예로서 판상체를 적층한 것이 기재되어 있지만, 판상체에 의한 압박을 얼마나 행했는지가 명기되어 있지 않다.

본 발명은, 평판 형상의 양극과 평판 형상의 음극을 세퍼레이터를 개재하여 적층한 적층형 리튬 이온 전지와 같은 적층형 이차 전지에 있어서, 충방전시의 발열, 혹은 외부로부터 가열되었을 때에도 방열성이 양호한, 팽창 및 수축의 충방전의 반복에 의한 세퍼레이터에 발생한 주름에 따른 충방전 특성의 저하가 일어나는 일이 없는 충방전 특성이 뛰어난 적층형 이차 전지를 제공하는 것을 과제로 하는 것이다.

본 발명은, 평판 형상의 양극과 평판 형상의 음극의 어느 한쪽을 다른쪽보다 1개 많이 세퍼레이터를 개재하여 교대로 적층하고, 각 양극의 양극 인출 단자들 및 각 음극의 음극 인출 단자들을 각각 접속한 전지 요소로 이루어지는 적층체의 적층 방향의 양단면에 직접 접촉하여 배치한 금속제 판상체의 상호를 결합 부재로 결합해 상기 적층체를 양단면으로부터 사이에 끼워 눌러 유지하고, 상기 금속제 판상체 사이에 끼워 눌러 유지한 전지 요소를 필름형상 외장재에 의해 봉구한 적층형 이차 전지이다.

또, 상기 전지 요소의 적층체의 양단면에 위치하는 양극 또는 음극은, 금속제 판상체에 접촉하는 면에는 활물질층이 형성되어 있지 않은 상기의 적층형 이차 전지이다.

적층하는 개수가 적은 극성의 전극을 주머니형상 세퍼레이터 내부에 수납한 것인 상기의 적층형 이차 전지이다.

금속제 판상체가 구리 또는 알루미늄으로 이루어지는 상기의 적층형 이차 전지이다.

본 발명의 적층형 이차 전지는, 평판 형상의 양극과 평판 형상의 음극의 어느 한쪽을 다른쪽보다 1개 많이 세퍼레이터를 개재해 교대로 적층하고, 각 양극의 양극 인출 단자들 및 각 음극의 음극 인출 단자들을 각각 접속한 전지 요소를 가지므로, 전지 요소의 적층체의 적층 방향의 양단면에는 적층 개수가 많은 극성의 전극이 위치하는 결과, 양단면은 동일 전위로 한 것이다.

그 결과, 동일 전위인 양단면에 절연성 부재를 배치하지 않고 금속제 판상체를 밀착해서 배치함과 더불어, 양단면의 금속제 판상체의 상호를 아무런 절연 처리 등을 행하지 않고 결합 부재에 의해 결합하여 적층체를 사이에 끼워 눌러 유지해 압박하는 것이 가능해진다.

또, 전지 요소의 적층체의 양단면에는 금속제 판상체가 배치되어 있으므로 전지의 방열 특성이 높아지고, 충방전의 반복에 따른 전지 구성 부재의 형상의 변 화를 작게 함으로써 충방전 특성의 향상을 도모하는 일이 가능해진다.

본 발명은, 평판 형상의 양극과 평판 형상의 음극을 세퍼레이터를 개재시켜 적층된 전지 요소를 필름형상 외장재에 의해 봉구한 리튬 이온 전지 등의 적층형 이차 전지에 있어서, 양극과 음극을 세퍼레이터를 개재하여 교대로 적층한 전지 요소의 적층체의 적층 방향의 양단부에 위치하는 평판 형상의 양극과 평판 형상의 음극을 동일한 전위의 전극으로 함으로써 상기 양단부에는 금속제 판상체를 밀착해서 배치하고, 양단면의 금속제 판상체를 결합 부재에 의해 결합하여, 상기 적층체를 양단면으로부터 사이에 끼워 눌러 유지함으로써, 전지가 충방전을 반복함으로써 발생하는 활물질층의 팽창 등에 의한 충방전 특성의 저하를 방지하고, 또한, 열적 특성을 향상시킨 전지를 제공하는 것이 가능한 것을 찾아낸 것이다.

본 발명의 전지는, 평판 형상의 양극과 평판 형상의 음극을 세퍼레이터를 개재하여 교대로 적층한 적층체에 있어서는, 양극 및 음극의 각각을 동일한 개수를 적층하고, 양극 인출 단자들, 음극 인출 단자들을 서로 결합했을 경우에는, 적층체의 양단면에는, 양극 및 음극이 위치하고, 극성이 상이한 것이 된다.

이에 비하여, 양극 또는 음극의 어느 한쪽을 다른쪽보다 1개 많이 이용해, 세퍼레이터를 개재하여 교대로 적층했을 경우에는, 적층체의 양단면에는 동일한 극성이며 전위가 동일한 전극이 위치하는 점에 착안한 것이다.

즉, 적층체의 양단면의 전극이 동일한 전위이므로, 적층체의 양단면에 판상체를 배치해 사이에 끼워서 눌러 유지하는 경우에는, 적층체의 양단면과의 사이에 절연성 부재를 배치하거나, 혹은 사이에 끼워 눌러 유지하는 부재의 일부 또는 전부를 절연성 부재에 의해 제작할 필요는 없다.

이 때문에, 전지 요소를 포함하는 적층체의 양단면에 배치하는 부재로서 열적 특성이 뛰어난 금속제 부재를 배치할 수 있다. 또, 양면의 금속제 부재의 상호를 결합하는 부재로서 금속제의 부재를 이용하는 것이 가능하게 되며, 전지 요소를 포함하는 적층체를 사이에 끼워 눌러 유지하는 효과도 커지며, 진동, 충격 등에 대해서도 특성의 변화가 적은 전지의 제공이 가능하게 된다.

이하에 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.

도 1은 본 발명의 적층형 이차 전지의 일실시예를 설명하는 도면이며, 도 1A는 단면도이다. 또, 도 1B는, 적층체를 사이에 끼워 눌러 유지한 전지 요소를 설명하는 사시도이다. 도 1C는, 도 1A에 있어서의 도 1C의 부분의 확대도이다.

또, 도 1A에 나타내는 단면도는, 도 1B에 있어서의 A-A＇선에 의한 절단면에 상당하는 위치를 나타낸 것이다.

적층형 이차 전지(1)는, 리튬 이온 전지를 예로 들어 설명하고 있으며, 전지 요소(2)가 필름형상 외장재(5)에 의해 봉구되어 있다.

전지 요소(2)는 양극(10)과 음극(20)이 세퍼레이터(30)를 개재하여 적층되어 있고, 양극(10)은 알루미늄박 등으로 이루어지는 양극 집전체(12) 상에 양극 활물질층(14)이 형성되어 있다. 또, 양극(10)보다 면적이 큰 음극(20)은 구리박 등으로 이루어지는 음극 집전체(22) 상에는 음극 활물질층(24)이 형성되어 있다.

도 1A에서 나타낸 적층형 이차 전지에서는, 양극(10)에 비해 음극(20)의 적 층 개수가 1개 많이 적층되어 있고, 적층체의 양단면에는 음극(20a, 20b)이 위치하고 있다.

또, 양극(10) 및 음극(20)은, 각각 양극 인출 단자(16), 음극 인출 단자(26)를 가지고 있고, 양극 인출 단자들, 음극 인출 단자들은 각각 접합되어 있으며, 양극 인출 단자에 결합한 양극 단자(18) 및 음극 단자(도시하지 않음)는, 필름형상 외장재(5)의 봉구부(7)로부터 외부에 취출되어 있다.

또, 각각 필름형상 외장재(5)의 봉구부(7)에 있어서 열융착 등이 행해져 외부에 취출되어 있고, 내부에 전해액을 주액한 후에, 감압한 상태로 봉구되어 있으며, 감압에 의한 내외의 압력차에 따라 필름형상 외장재는, 전지 요소에 밀착하고 있다.

또, 도 1B에서 나타내는 바와 같이, 양극과 음극을 세퍼레이터를 개재하여 적층한 전지 요소를 가지는 적층체(3)는, 적층체의 양단면에는 금속제 판상체(40)가 밀착해서 배치되어 있다. 또 금속제 판상체는, 금속제 판상체의 주연부에 설치한 나사 등의 결합 부재(42, 44a, 44b)에 의하여 사이에 끼워 눌러 유지되어 있다.

또, 양극 인출 단자(16), 음극 인출 단자(26)가 금속제 판상체(40)와 접촉해 단락 회로가 형성될 가능성이 있는 경우에는, 양극 인출 단자, 음극 인출 단자, 혹은 금속제 판상체의 당해 개소에 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리페닐렌 설파이드 등으로 이루어지는 절연성 테이프를 배치하는 것이 바람직하다.

또, 도 1C에 나타내는 바와 같이, 전지 요소의 적층체의 양단면에 위치하는 음극(20a, 20b)은, 모두 세퍼레이터(30)측의 면에만 음극 활물질층이 형성되어 있 는 것을 이용하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 세퍼레이터(30)측의 면에만 음극 활물질층을 형성한 것을 이용하면, 적층체의 양단면에는, 구리박 등으로 이루어지는 음극 집전체(22)가 위치하므로, 전지 요소를 포함하는 적층체의 양단면에 배치한 금속제 판상체(40)와의 사이의 열적 접촉이 양호한 것이 되어, 방열 효과를 향상시키는 것이 가능하게 된다.

또, 세퍼레이터(30)는, 적층한 양극 또는 음극 중의 적층 개수가 적은 쪽의 전극의 양면 및 양측을 덮는 주머니형상의 부재로 하여도 된다.

이 경우에는, 주머니형상의 세퍼레이터의 외형을 음극과 동일한 크기로 하고, 주머니형상 세퍼레이터 내에 양극을 삽입했을 경우에 양극의 단부가 위치 결정되도록, 주머니형상 세퍼레이터의 내부에 양극의 위치 결정부를 배치한 경우에는, 양극을 수납한 세퍼레이터와 음극을 인접하는 2변을 위치 결정변으로서 적층함으로써 양극 및 음극의 상호가 위치 결정된 전지 요소를 가지는 적층체를 제작할 수 있다.

도 2A는, 본 발명의 다른 실시 형태를 설명하는 도면이며, 적층체를 사이에 끼워 눌러 유지한 전지 요소의 단면도이다. 또, 도 2B는 평면도이다.

도 1A－도 1C에서 나타낸 적층형 이차 전지는 전지 요소의 적층체(3)의 적층 방향의 단면에 배치한 금속제 판상체(40)의 인접하는 각부에 위치하는 결합 부재(44a, 44b)의 중심을 연결하는 선의 적층체의 적층 방향의 투영부에는 양극 또는 음극이 존재하고 있지 않다.

이에 비하여, 도 2A, 도 2B에서 나타낸 적층형 이차 전지에 있어서는, 금속 제 판상체(40)의 인접하는 각부에 위치하는 결합 부재(44a, 44b)는, 도 1에 나타낸 적층형 이차 전지와 동일한 위치에 존재하고 있지만, 결합 부재(44a, 44b)의 중심을 연결하는 선의 적층체의 적층 방향의 투영부(45)에도 양극, 음극이 존재하고 있다.

즉, 결합 부재(44a, 44b)의 중심을 연결하는 적층체의 적층면에 수직인 면보다 외주측에 양극, 음극을 배치하는 것이 가능하게 되고, 결합 부재의 존재에 의한 양극 혹은 음극의 면적의 감소율을 작게 하는 것이 가능하게 된다.

도 3A는, 본 발명의 다른 실시 형태를 설명하는 도면이며, 적층체를 사이에 끼워 눌러 유지한 전지 요소의 단면도이다. 또, 도 3B는 평면도이다.

도 3A에서 나타낸 적층형 이차 전지는, 도 2A－도 2B에 나타낸 바와 같이, 적층체를 사이에 끼워 눌러 유지하는 금속제 판상체(40)의 인접하는 각부에 위치하는 결합 부재(44a, 44b)는, 도 1A－도 1C에 나타낸 적층형 이차 전지와 동일한 위치에 존재하고 있지만, 결합 부재(44a, 44b)의 중심을 연결하는 선의 적층체의 적층 방향의 투영부(45)에는, 양극, 음극이 존재하고 있다.

또, 양면에 배치한 금속제 판상체(40)의 양극 또는 음극의 길이 방향의 근처의 외주부의 양극, 음극의 모두가 존재하지 않는 부분에는, 결합 부재(46a, 46b)가 장착되어 금속제 판상체를 결합하고 있다. 결합 부재(46a, 46b)를 장착하는 위치는, 결합 부재에 의해 전지 요소가 균일하게 사이에 끼워 눌러 유지되도록 양극 또는 음극의 길이 방향의 중앙부의 근방에 설치하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 양극, 음극의 길이 방향의 근처의 외주부에도 결합 부재(46a, 46b)를 설치한 경우에는, 결합 부재의 장착을 위해서 길이 방향의 근처의 양측에 양극, 음극이 존재하지 않는 부분이 형성되지만, 양극, 음극의 길이 방향의 길이가 커졌을 경우에서도, 금속제 판상체에 의한 전지 요소의 적층체를 사이에 끼워 눌러 유지하는 효과를 양극 및 음극의 전면에 균일하게 미치는 것이 가능하게 된다.

도 4는, 본 발명의 적층형 이차 전지의 전지 요소의 적층체를 사이에 끼워 눌러 유지한 금속제 판상체의 다른 예를 설명하는 도면이며, 금속제 판상체 사이에 끼워 눌러 유지한 전지 요소를 설명하는 사시도이다.

금속제 판상체(40)는, 양극 또는 음극에 접촉하는 평판부의 배면에, 빔형상 부재(48)를 형성한 것이다. 이와 같이 빔형상 부재(48)를 설치함으로써, 질량이 동일한 빔을 갖지 않는 평판을 이용하는 경우에 비해 금속제 판상체의 강성을 높이는 것이 가능하게 된다.

따라서, 사이에 끼워 눌러 유지하기 위해 필요한 금속제 판상체의 질량을 줄이는 것이 가능하게 되고, 적층형 이차 전지의 질량을 감소하는 효과가 얻어진다.

적층형 이차 전지가 리튬 이온 전지인 경우에는, 양극은, 집전체인 알루미늄에, 리튬 망간 복합 산화물, 리튬 코발트 복합 산화물, 혹은 리튬 니켈 복합 산화물 등을 주성분으로 한 슬러리를 도포해 양극 활물질층을 형성할 수 있다. 또, 음극은, 집전체인 구리에, 탄소 입자를 주성분으로 하는 슬러리로 형성한 음극 활물질층을 형성한 것을 이용할 수 있다.

적층체의 적층 방향의 양단면에 위치하는 전극이 양극인 경우에는, 전지 요소를 사이에 끼워 눌러 유지하는 금속제 판상체에는 알루미늄 또는 그 합금을 이용 할 수 있다. 한편, 음극에는 구리 또는 그 합금을 이용하는 것이 가능하게 된다.

본 발명의 적층형 이차 전지는, 평판 형상의 양극과 평판 형상의 음극의 어느 한쪽을 다른쪽보다 1개 많이 세퍼레이터를 개재하여 교대로 적층하고, 양극의 양극 인출 단자들 및 각 음극의 음극 인출 단자들을 각각 접속한 전지 요소로 이루어지는 적층체의 적층 방향의 양단면에 직접 접촉해 배치한 금속제 판상체의 상호를 결합 부재로 결합하여 상기 적층체를 양단면으로부터 사이에 끼워 눌러 유지한 전지 요소를 필름형상 외장재에 의해 봉구했으므로, 충방전시의 활물질층의 팽창, 수축에 의한 세퍼레이터의 주름의 발생에 따른 충방전 효율의 저하를 방지함과 함께, 전지의 방열 특성을 향상시키는 것이 가능하게 된다.

도 1A는 본 발명의 적층형 이차 전지의 일실시예를 설명하는 도면이며, 단면도이다. 도 1B는 적층체를 사이에 끼워 눌러 유지한 전지 요소를 설명하는 사시도이다. 또, 도 1C는 도 1A에 있어서의 도 1C의 부분의 확대도이다.

도 2A는 본 발명의 다른 실시 형태를 설명하는 도면이며, 적층체를 사이에 끼워 눌러 유지한 전지 요소의 단면도를 나타낸다. 도 2B는 평면도이다.

도 3A는 본 발명의 다른 실시 형태를 설명하는 도면이며, 적층체를 사이에 끼워 눌러 유지한 전지 요소의 단면도를 나타낸다. 또, 도 3B는 평면도이다.

도 4는 본 발명의 적층형 이차 전지의 전지 요소의 적층체를 사이에 끼워 눌러 유지한 금속제 판상체의 다른 예를 설명하는 도면이며, 금속제 판상체 사이에 끼워 눌러 유지한 전지 요소를 설명하는 사시도이다.

Claims

평판 형상의 양극과 평판 형상의 음극을 세퍼레이터를 개재해 교대로 적층하고, 상기 양극 및 상기 음극 중 어느 한쪽이 다른 쪽의 적층 개수보다 1개 많으며, 각 양극의 양극 인출 단자들 및 각 음극의 음극 인출 단자들을 각각 접속한 전지 요소로 이루어지는 적층체의 적층 방향의 양단면에 직접 접촉해 배치한 금속제 판상체의 상호를 결합 부재로 결합하여 상기 적층체를 양단면으로부터 사이에 끼워 눌러 유지하고, 상기 금속제 판상체 사이에 끼워 눌러 유지한 전지 요소를 필름형상 외장재에 의해 봉구한 것을 특징으로 하는 적층형 이차 전지.
청구항 1에 있어서,

상기 전지 요소의 적층체의 양단면에 위치하는 양극 또는 음극은, 세퍼레이터측의 면에만 활물질층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 적층형 이차 전지.
청구항 1에 있어서,

적층 개수가 다른 극성의 전극보다 적은 극성의 전극을 주머니형상 세퍼레이터 내부에 수납한 것임을 특징으로 하는 적층형 이차 전지.
청구항 2에 있어서,

적층 개수가 다른 극성의 전극보다 적은 극성의 전극을 주머니형상 세퍼레이터 내부에 수납한 것임을 특징으로 하는 적층형 이차 전지.
청구항 1에 있어서,

금속제 판상체가 구리 또는 알루미늄으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 적층형 이차 전지.
청구항 2에 있어서,

금속제 판상체가 구리 또는 알루미늄으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 적층형 이차 전지.